Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application

Tesi amb menció de Doctorat Industrial

Detalles Bibliográficos
Autor: Fontanes Molina, Pol
Tipo de recurso: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2023
País:España
Institución:CBUC, CESCA
Repositorio:TDR. Tesis Doctorales en Red
OAI Identifier:oai:www.tdx.cat:10803/691363
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10803/691363
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-409392
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctrica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
621.3
629
id ES_d024ec2e2373f0bd7acb81df654d3a48
oai_identifier_str oai:www.tdx.cat:10803/691363
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
title Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
spellingShingle Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
Fontanes Molina, Pol
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctrica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
621.3
629
title_short Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
title_full Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
title_fullStr Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
title_full_unstemmed Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
title_sort Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
dc.creator.none.fl_str_mv Fontanes Molina, Pol
author Fontanes Molina, Pol
author_facet Fontanes Molina, Pol
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Montañá Puig, Juan
Guerra García, Carmen
Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Elèctrica
dc.subject.none.fl_str_mv Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctrica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
621.3
629
topic Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctrica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
621.3
629
description Tesi amb menció de Doctorat Industrial
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023
2024
2024
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10803/691363
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-409392
url http://hdl.handle.net/10803/691363
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-409392
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
language_invalid_str_mv Inglés
dc.rights.none.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv 165 p.
application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
dc.source.none.fl_str_mv TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
reponame:TDR. Tesis Doctorales en Red
instname:CBUC, CESCA
instname_str CBUC, CESCA
reponame_str TDR. Tesis Doctorales en Red
collection TDR. Tesis Doctorales en Red
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869420147478888448
spelling Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control applicationFontanes Molina, PolÀrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctricaÀrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai621.3629Tesi amb menció de Doctorat IndustrialTesi en modalitat de compendi de publicacionsIn reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.(English) Lightning strikes to aircraft and wind turbines can lead to substantial repair expenses. These structures often trigger lightning strikes, in the form of bidirectional leaders in the case of aircraft and upward leaders in the case of wind turbines. For airplanes and specific wind turbine blades, isolation from the ground enables the accumulation of an electrostatic charge, which can be further enhanced by their movement. This thesis studies the influence of electrostatic charge on the lightning interactions with aircraft and wind turbines. The study builds from a collaboration between two research groups and industry, synergistically enhancing research capabilities. The outcome is the development of the Hammer system, an active electrostatic charge control system designed specifically for aircraft and wind turbines. The electrification of wind turbine blades and aircraft under fair weather conditions is examined, along with artificial charge compensation techniques to mitigate its effects. This involves developing field methods for studying induced currents in wind turbine blades and conducting experimental studies on ion release from aircraft to control electrostatic charge. The Hammer system, wirelessly controls the net charge of a floating conductor. Through a high-voltage generator connected to a floating corona electrode, the system captures or releases ions to the ambient. The system's successful implementation is demonstrated by achieving bipolar ion emission from an aircraft surface during flight. The duration of the transient state of ion emission is linked to the airspeed and its interplay with ion advection and electrostatic attraction. Regarding wind turbine blades, electrostatic polarization of electrically isolated blades in laboratory conditions reveals a two-step process: rapid polarization of the down conductor followed by gradual charge accumulation at the glass fiber enclosure. The Hammer system effectively neutralizes the potential gradient at the blade root when exposed to intense electric fields. The research also explores the application of vertical conductors with drones to measure atmospheric electricity effects, simulating current induction in wind turbines. A validated model combining partial discharge and vertical motion contributions to current induction is proposed, adaptable for wind turbine use. This model aligns well with field measurements of real wind turbine currents under fair weather conditions. The investigation extends beyond its immediate scope by considering the transferability of results to other fields like geoengineering. In summary, this research delves into the intricate relationship between electrostatic charge, lightning attachment, and protection mechanisms for aircraft and wind turbines. The collaborative effort results in the Hammer system, offering a pioneering solution to mitigate risks and enhance the safety and efficiency of these structures.(Català) Els llamps a aeronaus i turbines eòliques poden comportar despeses de reparació substancials. Aquestes estructures sovint desencadenen llamps, en forma de líders bidireccionals en el cas dels avions i caps ascendents en el cas dels aerogeneradors. Per als avions i les pales específiques d'aerogeneradors, l'aïllament del terra permet l'acumulació d'una càrrega electrostàtica, que es pot millorar encara més pel seu moviment. Aquesta tesi estudia la influència de la càrrega electrostàtica en les interaccions del llamp amb aeronaus i aerogeneradors. L'estudi revela una col·laboració entre dos grups de recerca i la indústria, millorant de manera sinèrgica les capacitats de recerca. El resultat és el desenvolupament del sistema Hammer, un sistema actiu de control de càrrega electrostàtica dissenyat específicament per a aeronaus i aerogeneradors. S'examina l'electrificació de pales d'aerogeneradors i aeronaus en condicions meteorològiques favorables, juntament amb tècniques de compensació de càrrega artificial per mitigar-ne els efectes. Això implica crear mètodes de camp per estudiar els corrents induïts a les pales dels aerogeneradors i realitzar estudis experimentals sobre l'alliberament d'ions de les aeronaus per controlar la càrrega electrostàtica. El sistema Hammer controla inal·lambricament la càrrega neta d'un conductor flotant. A través d'un generador d'alta tensió connectat a un elèctrode de corona flotant, el sistema captura o allibera ions a l'ambient. L'èxit d'implementació del sistema es demostra aconseguint l'emissió d'ions bipolars de la superfície d'una aeronau durant el vol. La durada de l'estat transitori d'emissió d'ions està relacionada amb la velocitat de l'aire i la seva interacció amb l'advecció iònica i l'atracció electrostàtica. Pel que fa a les pales de les turbines eòliques, la polarització electrostàtica de les pales aïllades elèctricament en condicions de laboratori revela un procés de dos passos: polarització ràpida del conductor de baixada seguida d'una acumulació gradual de càrrega al recinte de fibra de vidre. El sistema Hammer neutralitza eficaçment el gradient potencial a l'arrel de la fulla quan s'exposa a camps elèctrics intensos. La investigació també explora l'aplicació de conductors verticals amb drons per mesurar els efectes de l'electricitat atmosfèrica, simulant la inducció de corrent a les turbines eòliques. Es proposa un model validat que combina descàrrega parcial i contribucions de moviment vertical a la inducció actual, adaptable per a l'ús de turbines eòliques. Aquest model s'alinea bé amb les mesures de camp dels corrents reals de les turbines eòliques en temps bons. La investigació va més enllà del seu abast immediat considerant la transferibilitat dels resultats a altres camps com la geoenginyeria. En resum, aquesta investigació aprofundeix en la intricada relació entre la càrrega electrostàtica, la connexió de llamps i els mecanismes de protecció per a aeronaus i aerogeneradors. L'esforç col·laboratiu dóna com a resultat el sistema Hammer, que ofereix una solució pionera per mitigar riscos i millorar la seguretat i l'eficiència d'aquestes estructures.DOCTORAT EN ENGINYERIA ELÈCTRICA (Pla 2012)Universitat Politècnica de CatalunyaMontañá Puig, JuanGuerra García, CarmenUniversitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Elèctrica202420242023info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion165 p.application/pdfhttp://hdl.handle.net/10803/691363https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-409392TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)reponame:TDR. Tesis Doctorales en Redinstname:CBUC, CESCAInglésL'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:www.tdx.cat:10803/6913632026-06-14T12:46:07Z
score 15,300719

Similares en LA Referencia